La dinamica (poco cinematografica) dei bipedi giganti

Silhouette dei più grandi esemplare noti di Tyrannosaurus (modificato da ricostruzione scheletrica di Hartman) e di Spinosaurus (modificato da ricostruzione in vivo di Bonadonna e Maganuco). Con lunghezze comprese tra 12 e 14 metri, e masse tra 5 e 10 tonnellate, questi bipedi giganti sono una sfida intellettiva per chiunque voglia comprendere come corpi così grandi si muovessero in modo efficiente.

I film di animazione ci hanno abituato a dinosauri immersi in scene molto dinamiche. Vediamo animali grandi come Tyrannosaurus inseguire automobili, abbattere recinzioni, fare balzi, girarsi di scatto, impennare e scontrarsi con grande forze e relativa velocità. Quanto sono realistiche queste scene?

Per rispondere a questa domanda, occorre combinare le conoscenze generali sulla biomeccanica dei vertebrati terrestri con le informazioni particolari relative a questi animali. 

Una prima parte della risposta viene dall'osservazione degli animali viventi, e da alcune semplici nozioni di fisica. All'aumentare delle dimensioni (e della massa), animali morfologicamente simili tendono ad essere meno agili e più lenti. Il motivo è dovuto a due principi fisici: il secondo principio della dinamica lega l'accelerazione (che definisce la "agilità") con la forza necessaria a generare tale accelerazione. Se la massa raddoppia, per ottenere la stessa accelerazione occorre fornire una forza muscolare doppia. La forza muscolare, a sua volta, è proporzionale alla sezione dei muscoli (l'area della sezione trasversale alla direzione di contrazione del fascio muscolare), ovvero, per avere una forza doppia occorre avere muscoli con una sezione doppia.

Se combiniamo questi due fattori, e li leghiamo per valutare come variano al variare delle dimensioni, vediamo che la massa è proporzionale al cubo della lunghezza (dipende infatti dal volume), mentre la sezione muscolare al quadrato della lunghezza (dipende infatti dalla superficie della sezione del muscolo).

Ad esempio, se l'animale A è lungo 1 metro e genera una forza muscolare F per una massa M, quale forza genera l'animale B, lungo isometricamente il doppio di A? La sua massa sarà 2 al cubo, quindi 8 volte la massa di A, mentre la forza dei suoi muscoli sarà 2 alla seconda, ovvero 4 volte la forza di A. Di conseguenza, se il rapporto Forza/Massa in A risulta pari a 1, in B sarà pari a 4/8 ovvero 1/2. E siccome l'accelerazione è data da Forza/Massa, l'accelerazione (e quindi l'agilità) di B risulta la metà di quella di A.

Questo è il motivo generale per cui gli animali più grandi sono meno agili di quelli piccoli.

L'esempio che ho mostrato è molto astratto e generico. Come ho accennato in un precedente post, nessun animale è una copia isometrica di un altro più piccolo: l'allometria è sempre imperante. Infatti, l'allometria (ovvero, il variare delle proporzioni tra le parti del corpo tra animali simili ma di dimensioni differenti) è proprio un adattamento volto a compensare in parte la legge generale sulla riduzione delle "prestazioni" che ho mostrato sopra.

Per "contrastare" almeno in parte la inevitabile perdita di agilità dovuta alle grandi dimensioni, gli animali di grande mole tendono a modificare le proporzioni corporee, al fine di massimizzare la potenza muscolare necessaria a muovere le loro masse maggiori, tenendo in conto il fatto che, comunque, i muscoli di maggiori dimensioni avranno sempre una forza relativa minore (proprio perché le loro sezione cresce più lentamente di quanto cresca la massa). Ad esempio, nei theropodi, le forme di maggiori dimensioni hanno in proporzione arti posteriori più corti, e negli arti posteriori la tibia ed i metatarsi risultano in proporzione più accorciati rispetto al femore: ciò genera leve che richiedono una minore massa muscolare. Inoltre, il bacino tende ad essere più lungo ed ampio, proprio per aumentare la quantità di fasci muscolari (e quindi, la sezione totale) necessari a muovere gli arti. Nondimeno, anche con questi accorgimenti, le leggi della fisica vincono sempre, e quindi i grandi dinosauri sono di necessità vincolati a prestazioni meccaniche relativamente ridotte rispetto ai loro parenti di dimensioni inferiori. 

Un altro motivo che vincola queste prestazioni dinamiche è legato all'energia cinetica generata nel moto. Per fermare un corpo in moto (o per fargli cambiare direzione) è necessario compiere un lavoro per contrastare la sua energia cinetica, la quale è proporzionale alla massa ed al quadrato della velocità. Questo significa che per fermare un animale che si muove a velocità X occorre un'energia E, ma per fermare uno che si muove a velocità 2X occorre un'energia 4E. Se ribaltiamo la questione, un animale che impatta a velocità 2X deve avere un corpo capace di resistere ad un'energia 4 volte superiore a quella necessaria a resistere ad un impatto a velocità X. Ovvero, a parità di velocità, gli animali di grandi dimensioni corrono rischi molto più gravi di essere feriti o uccisi da impatti o cadute rispetto a quelli di dimensioni minori. Questo "rischio" tende quindi a selezionare animali di grande mole relativamente più massicci e robusti (e quindi, di conseguenza, ancora meno "agili") ma anche a sfavorire lo sviluppo di adattamenti cursori in questi giganti, privilegiando comportamenti e stili di vita meno "rischiosi".

Pertanto, anche senza entrare nel pantano dei calcoli, delle simulazioni o speculazioni quantitative, è evidente che i grandi theropodi non fossero equivalenti dal punto di vista dinamico ai theropodi di dimensioni inferiori. Esattamente come la solennità e la potenza sono la norma nei grandi mammiferi di oggi (come elefanti e ippopotami), mentre l'agilità e la velocità sono prerogativa delle specie di dimensioni inferiori (come antilopi e zebre), è plausibile che i theropodi giganti fossero relativamente lenti e solenni, e che non fossero capaci di corse o scatti. Ciò non significa che queste fossero creature letargiche, esattamente come un elefante o un ippopotamo non sono animali indolenti, per quanto non sicuramente dei campioni di velocità e scatto: anche una camminata con lunghe falcate (ricordo che Tyrannosaurus ha gambe lunghe più di 3 metri) permetteva a questi animali di spostarsi con la velocità necessaria alle loro vite. Alla scala dimensionale dei grandi theropodi, quindi, i movimenti seguivano una dinamica differente da quella a cui siamo abituati noi piccoli vertebrati ben sotto la tonnellata. E, se ci pensate, è lo stesso motivo per cui solamente un theropode grande come un calabrone (il colibrì) è capace di super-prestazioni dinamiche impossibili anche ad un animale come un piccione. Ogni scala dimensionale ha quindi le sue leggi e vincoli, le sue "dinamiche" ed "energetiche".

Pertanto, immaginare un theropode di 5 tonnellate e 12 metri di lunghezza che si gira rapidamente, scatta, balza, insegue e compie corse, è molto probabilmente un'illusione dei film di fantascienza.